11. 비파괴 검사 - 초음파 검사기(C-SAM) 트랜스듀서 구조

트랜스 듀서는 초음파 프로브(probe)의 내부에 존재하여 초음파 신호를 검사체로 송신하고 검사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 역할을 수행하는 구성요소이다. 트랜스듀서는 크게 압전층, 후면층으로 구성되며 경우에 따라 정합층 등이 추가적으로 구성된다.

 

1. 트랜스듀서의 구성

1) 압전 층 (active element)

: 압전효과란 일정한 결정 구조를 가지는 강유전체에 압축 또는 인장과 같은 기계적 변화를 주면 전기적인 신호를 발생시키는 현상을 뜻한다. 

반대로 전기적인 신호(전원)를 인가하면 기계적인 변화가 생기는데, 기계적인 변화가 주기적인 진동의 형태로 나타나는 것을 역압전 효과라고 한다.

압전층은 인공세라믹을 얇게 가공한 압전소자를 사용하며, 압전층에 전기적인 신호를 가해 초음파를 생성할 수 있다.

압전소자로 일반적으로 사용되는 소재는 PZT, PVDF, LiNbO3, PMN-PT 및 ZnO 등이 있다.

2) 정합 층 (Matching layer) 

: 정합층은 압전소자와 검사대상간 응향 임피던스를 정합함으로써 압전소자에서 발생한 초음파를 검사체에 전달하거나, 검사체에 반사되어 돌아오는 반사 신호의 손실을 저감시킨다. 정합층은 압전소자와 검사체 간 음향 임피던스의 급격한 변화에 따른 영상 왜곡 등의 문제를 감소시키는 완충 역할을 할 수 있다. 

 

3) 후면재 (Backing material)

: 배킹재는 압전 소자로 부터 발생하는 초음파가 원하지 않는 방향으로 전파되어 그 반사파가 되돌아오는 것을 최소화(감쇠)함으로써 영상의 왜곡을 방지하는 역할을 한다. 이를 통해 압전소자가 매우 짧은 주파수로 진동을 할 수 있도록 축방향으로 진동의 분해능을 최적화하는 역할을 할 뿐만 아니라 압전소자의 임피던스와 비슷한 값의 재료로 구성하여 외부로부터 난반사되는 초음파를 최소로 만들어주는 역할을 한다

배킹재로는 에폭시 수지에 텅스텐(W), 납(Pb), 산화 아연(ZnO)등과 같이 밀도가 높은 분말 재료를 충전한 혼합물을 주로 사용한다. 

 

4) 음향렌즈 (acoustic lens) (probe 구성요소)

: 음향렌즈는 정합층의 전면에 위치하며, 초음파를 집속시킴으로써 트랜스듀서의 초점거리 및 delay line을 결정한다. 

초음파 트랜스듀서의 음향렌즈는 주로 실리콘과 폴리우레탄을 사용하여 굴절식으로 제작되어진다.

음향렌즈는 크게 외부 집속형과 내부 집속형으로 나뉘며 음속이 상대적으로 빠른 우레탄을 사용하는 경우 내부 집속형으로 제작되며 음속이 상대적으로 느린 실리콘을 사용할 경우 외부 집속형으로 제작된다.

 

 

 

3. 관련 논문

- 트랜스듀서 설계 관련 논문 : 링크1

 

- 고주파 트랜스듀서 설계 관련 논문 : 링크2

- 정합층 설계 관련 특허 : 링크3

- 후면재 설계 관련 특허 : 링크4

- 음향렌즈 설계 관련 논문 : 링크5